Новый метод наноструктурирования для обработки поверхностей в атомном масштабе

Новый метод наноструктурирования для обработки поверхностей в атомном масштабе

Исследователи (TU Wien) (Вена) разработали метод наноструктурирования, который можно использовать для высокоточного перфорирования определенных слоев материала, в то время как другие остаются полностью неизменными, хотя снаряд проникает во все слои.

Снаряд проникает во все слои, но только в верхнем слое образуется большая дыра. Графен ниже остается нетронутым. Изображение предоставлено: TU Wien.

Они достигли этого за счет использования высокозарядных ионов, которые можно использовать для избирательной обработки поверхностей новых систем 2D материалов, например, для связывания на них определенных металлов, которые впоследствии могут действовать как катализаторы. О новом методе недавно было сообщено в журнале ACS Nano .

Новые материалы из ультратонких слоев

Материалы, состоящие из множества ультратонких слоев, считаются новой интересной областью в области материаловедения. С момента первого производства графена с высокими рабочими характеристиками, содержащего только один слой атомов углерода, были созданы различные новые тонкопленочные материалы, обычно с потенциально новыми свойствами.

Мы исследовали комбинацию графена и дисульфида молибдена. Два слоя материала соприкасаются, а затем сцепляются друг с другом за счет слабых сил Ван-дер-Ваальса. Графен – очень хороший проводник, дисульфид молибдена – полупроводник, и это сочетание может быть интересно для производства новых типов устройств хранения данных .

Доктор Джанин Швестка, первый автор исследования, Институт прикладной физики, Венский университет

Однако в некоторых приложениях геометрия материала должна подвергаться особой обработке в наномасштабе – например, для изменения химических свойств путем объединения различных типов атомов или для изменения оптических свойств поверхности.

« Для этого существуют разные методы – отметила Джанин Швестка. « Вы можете модифицировать поверхности с помощью электронного или обычного ионного пучка. Однако в двухслойной системе всегда существует проблема, заключающаяся в том, что луч воздействует на оба слоя одновременно, даже если предполагается, что только один из них будет модифицирован »

Два вида энергии

При использовании ионного луча для обработки поверхности материал часто находится под воздействием силы ударяющих ионов. Однако исследователи из TU Wien использовали относительно медленные ионы, которые являются многозарядными.

Здесь следует различать две различные формы энергии. С одной стороны, это кинетическая энергия, которая зависит от скорости, с которой ионы ударяются о поверхность. С другой стороны, есть потенциальная энергия, которая определяется электрическим зарядом ионов. В случае обычных ионных пучков кинетическая энергия играет решающую роль, но для нас особенно важна потенциальная энергия .

Ричард Вильгельм, профессор, Венский технический университет

Обе формы энергии имеют важное различие: кинетическая энергия высвобождается в обоих слоях материала, проникая в систему слоев, но потенциальная энергия может распределяться между слоями очень неравномерно.

Ричард Вильгельм добавил: « Дисульфид молибдена очень сильно реагирует на сильно заряженные ионы. Один ион, попавший в этот слой, может удалить из слоя десятки или сотни атомов. Остается только дыра, которую можно очень четко увидеть в электронный микроскоп »

Напротив, слой графена, пораженный снарядом сразу же после этого, остается нетронутым: большая часть потенциальной энергии уже высвобождена.

Можно также отменить тот же эксперимент так, чтобы сильно заряженный ион сначала ударялся о графен, а затем ударялся о слой дисульфида молибдена. Здесь оба слоя, как правило, остаются нетронутыми: графен предлагает иону электроны, необходимые для его электрической нейтрализации в течение небольшой доли секунды.

Электроны в графене обладают такой высокой подвижностью, что точка удара также мгновенно «остывает». Пересекая слой графена, ион не оставляет постоянного следа. Тогда это не может нанести значительного ущерба слою дисульфида молибдена.

« Теперь это дает нам замечательный новый метод целенаправленного управления поверхностями », – добавил Ричард Вильгельм. « Мы можем добавлять нанопоры на поверхности, не повреждая материал подложки под ними. Это позволяет нам создавать геометрические структуры, которые ранее были невозможны ».

Таким образом, «маски» могут быть созданы из дисульфида молибдена, перфорированного точно по желанию, на которые впоследствии осаждаются атомы определенного металла. Это открывает путь к совершенно новым возможностям управления химическими, оптическими и электронными свойствами поверхности.

Мы очень рады, что наше прекрасное сотрудничество через Докторантуру TU-D смогло внести значительный вклад в эти результаты. Кроме того, это отличает Вену как место для науки и исследований, поскольку мы смогли установить контакты с Венским университетом через короткие расстояния, чтобы углубить наш совместный опыт и методически дополнять друг друга .

Джанин Швестка, Технический университет Вены

Швестка был членом TU-D более трех лет.

Ссылка на журнал:

Schwestka, J., и др. . (2020) Вырезание нанопор на атомном уровне в гетероструктуру Ван-дер-Ваальса с медленными высокозарядными ионами. ACS Nano . doi.org/10.1021/acsnano.0c04476.

Источник: https://www.tuwien.at/en/[19459008visible

Source link